河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 靜茂凱 張秀花 楊淑華 王健 老福興

林果業(yè)是我國繼糧食和蔬菜之后的第三大產(chǎn)業(yè)，各類林果栽培和種植的總面積一直居于世界首位。林果業(yè)相較于其他產(chǎn)業(yè)可以提供較多的就業(yè)機會[1]。林果一般在其成熟后自動掉落時營養(yǎng)價值最高[2]，而為了方便采收并保持其營養(yǎng)價值，林果采收一般采用機械或人工激振的方式使樹上即將成熟的果實集中落下，通過落地林果撿拾裝置撿拾并除雜分級[3]。而我國的林果撿拾作業(yè)以人工撿拾為主[4]，這一撿拾方式需要占用大量的勞動力，為生產(chǎn)過程的35%～45%[5]。伴隨著我國的人力成本和林果種植面積的增長[6]，林果撿拾作業(yè)的機械化趨勢越來越明顯。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.1 氣力式撿拾裝置的研究現(xiàn)狀

史高昆等[8]設(shè)計了氣吸式紅棗撿拾收獲機，該設(shè)備主要由汽油機、離心風機、收獲箱、吸管和三通管道組成，利用離心風機抽出收集箱中的空氣，使其產(chǎn)生負壓吸取落地紅棗，吸入的紅棗在經(jīng)過三通管道后，受到的壓力由負壓變成正壓，葉子和雜質(zhì)等經(jīng)過篩網(wǎng)被吹入集雜袋中，紅棗被篩網(wǎng)截留并落入收集框中，該機采凈率為98.63%，含雜率為0.87%。不過該裝置無法解決雜質(zhì)在篩網(wǎng)中發(fā)生擁堵的問題。

黨凱峰等[9]設(shè)計研制了雙氣流分離結(jié)構(gòu)除雜裝置，當紅棗進入風選箱后，與風選箱連接的進風管受到風機的作用進風，產(chǎn)生氣流對紅棗進行風選（圖1）。該機的生產(chǎn)率≥150kg/h，含雜率≤5%，撿凈率≥90%。

王洪昌等[10]在真空室中設(shè)計安裝了閉風器，能夠使真空室中的紅棗從閉風器中連續(xù)排出，同時能夠保證真空室內(nèi)的負壓狀態(tài)不被破壞。

張鳳奎等[11]在分離箱中設(shè)計了攔棗柵，用于攔截紅棗和清除雜質(zhì)，堵在攔棗柵的較大雜質(zhì)可以被碎雜清堵裝置粉碎排出。截留的紅棗通過閉風器落入振動篩，實現(xiàn)二次清選。

潘俊兵等[12]研制了一種氣吹式林果撿拾裝置，該裝置主要原理是將風機吹出的高速氣流傳送到氣流噴嘴，氣流噴嘴吹動地上的紅棗向后方移動到撿拾輸送裝置，實現(xiàn)落地紅棗的撿拾工作。該裝置紅棗損傷率接近于0，撿拾率為85.7%。

1.2 機械式撿拾裝置的研究現(xiàn)狀

圖1 雙氣流分離結(jié)構(gòu)除雜裝置原理圖

圖2 電動自走式落地紅棗清掃撿拾機

魯兵等[13]研制了一個電動自走式落地紅棗清掃撿拾機，采用前端安裝對稱的V 字形清掃輥刷（圖2），將落地紅棗清掃成壟，成壟的紅棗在橫向清掃輥刷和仿形鏟裝置的作用下?lián)焓暗捷斔脱b置，隨后將紅棗拋送到柵條篩上，通過碰撞實現(xiàn)紅棗除雜。平均拾凈率為93.6%，損傷率為2.1%。

張亞歐等[14]設(shè)計的自走式矮化密植紅棗收獲機的配套撿拾裝置，使挑果桿做旋轉(zhuǎn)運動插入土中，將落地的紅棗撿拾到輸送裝置上。撿凈率為97.24%，損傷率為6.10%。但是該裝置需要挑果桿有足夠的強度和結(jié)構(gòu)合理性，能夠承受沖擊力。

李傳鋒等[15]研制了一臺滾輪式紅棗撿拾機，該裝置撿拾器由軟性橡膠棒組成，撿拾器通過旋轉(zhuǎn)將紅棗撿拾到傳送帶上，傳送帶上的小滾輪軟性齒旋轉(zhuǎn)撥散土塊，并利用風機除雜，實現(xiàn)落地紅棗的撿拾除雜作業(yè)。

2 機器視覺在農(nóng)業(yè)采收上的應(yīng)用

機器視覺的概念起源于20 世紀60年代，并在90 年代開始了高速發(fā)展[16]。國內(nèi)在20 世紀80 年開始了機器視覺的相關(guān)研究，但是缺乏自主研發(fā)能力[17]。近年來，隨著機器視覺系統(tǒng)的發(fā)展完善，國內(nèi)外對機器視覺在農(nóng)業(yè)上有了較為廣泛的應(yīng)用。

趙德安等[18]為視覺系統(tǒng)選用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)蘋果的檢測，使機械臂能夠識別并自動對準蘋果。該機搭載輔助照明裝置，能夠在全天候的情況下達到94.14%的整體識別率。

陳軍等[19]研制了草莓采摘機，利用機器視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)了草莓的自動無損收獲，經(jīng)過試驗得出平均采摘速度為403.4顆/h，成功率為96.25%，無損率為 90%。符合草莓的收獲要求。

3 總結(jié)與展望

3.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)

目前已有的氣吸式撿拾裝置均需要人工手持吸管進行撿拾作業(yè)，在落地林果位置相對零散的情況下，對工作人員的工作負擔較大，不過氣吸式撿拾裝置對林果的損傷較小。機械式的撿拾方式一般使用大型的機械設(shè)備進行工作，要求地形相對平緩，但是設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復雜，故障率相對較高。當前機器視覺與采收結(jié)合的研究主要在于水果和蔬菜的識別、采摘上，對于落地林果的撿拾研究較少。

3.2 發(fā)展趨勢與展望

（1）我國部分林果種植于山區(qū)丘陵地區(qū)，地形崎嶇且路況較差，因而需要一些適應(yīng)于山區(qū)丘陵地區(qū)的小型撿拾裝置，同時根據(jù)不同地形的特點有相應(yīng)的仿形效果。

（2）當前的氣吸式林果撿拾裝置對落地林果比較分散的區(qū)域工作強度較大，因此氣吸式撿拾裝置需要集果器，將落地的林果收集成壟，方便撿拾。

（3）已有的氣吸式林果撿拾裝置依然需要人工手持吸氣管進行撿拾作業(yè)，隨著機器視覺的發(fā)展，應(yīng)使撿拾裝置與機器視覺相結(jié)合，實現(xiàn)機器自動識別落地林果并進行撿拾，實現(xiàn)無人化作業(yè)。